电动汽车对电力系统的影响研究

电动汽车对电力系统的影响研究
黎瑞明
【摘要】在能源紧缺的今天，电动汽车的发展已成必然，大量电动汽车的出现，
不仅加重了用电高峰的负荷，而且还存在着谐波污染，必然会对电力系统造成冲击，本文研究了电动汽车对电力系统的影响，包括当前系统电力容量需求以及充电对电网造成的谐波污染等问题。

之后提出了问题的多种解决方案，并对电动汽车的未来发展前景进行了展望。

%Today, energy sources reduce day by day and the electric vehicles are more and more popular, but at the same time, there is some impact to the power system. This article studies the impact of electric vehicle to the power system, including the demand of power capacity and the harmonic pollution of charging to power grid. Then, the article puts forward lots of solutions and images the future of the electric vehicle.
【期刊名称】《电气技术》
【年(卷),期】2011(000)009
【总页数】5页(P41-44,57)
【关键词】电动汽车;谐波污染;充电站;电网
【作者】黎瑞明
【作者单位】广东电网公司湛江供电局,广东湛江524000
【正文语种】中文
【中图分类】TM712
随着能源日益紧张以及低碳时代的到来，各国都在寻求新能源，同时为摆脱对不可再生资源的依赖而不断做出努力。

这时候，电动汽车应时代要求而出现。

电动汽车的出现，可以降低对石油的依赖程度，并且大大降低了碳的排放量，应该说是顺应时代潮流的。

但是，它的出现也给当今电力系统带来了一系列影响。

比如，在低谷时期充电，可以提高对电网的利用率；但是在用电高峰期充电，尤其是大量汽车同时充电，会对电力系统产生很大的冲击，需要靠增加电能储备来满足其需求。

电动汽车充电站是非线性负载，在充电过程会产生很大谐波，对电力系统电能质量产生很大影响。

因此我们必须清楚充电站对系统的种种影响，发现问题所在，这样才能更好地解决问题，为电动汽车的发展奠定基础。

1 电动汽车充电对电网的短期和长期影响
根据电网的现状和发展特点，可将电动汽车对电网的影响分为短期影响和长期影响。

电动汽车是负载，小规模的电动汽车出现不会影响目前电网的装机容量，而且会为售电单位带来利润，在一定程度上带动了电力的发展。

但是随着电动汽车的大规模出现，当今的装机容量已经不能满足充电负荷的要求，需要新增发电装机来满足。

这不仅仅是简单的增加装机量得问题，因为大量电动汽车的出现，注定了其充电随机性，相对电网而言，即为负荷的随机性，因此增加装机的容量就不好确定。

因此，从长期来看，充电汽车会对电网的发展产生很大影响，而且，该种影响具有很大不确定性。

因此，笔者建议将电网的规划与电动汽车的发展相结合，只有这样才能制定出合理的电网规划方案，减少资源的浪费。

2 电动汽车充电对电力系统造成的谐波污染分析
2.1 电动汽车的电池类型以及充电模块图
电动汽车可以采用的电池种类有∶ 镍金属电池，铅蓄电池，锌空气电池，高温钠
电池，锂离子蓄电池等，这些电池充电需要直流电源，而我们系统中大电网为交流电源，因此充电时需要先将交流电整流成直流电，即整流过程。

充电模型图见图1。

而整流过程会给电力系统带来谐波污染，谐波的出现又会带来一系列问题：使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。

谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁等等。

图1 电动汽车电池充电模块图
2.2 谐波污染的分析
电动汽车充电时，充电机的谐波主要来自整流装置部分，根据整流装置的不同可以分为三种，分别为12脉波整流充电机，不控整流充电机和PWM整流充电机。

现分析如下：
1）不控整流式充电机所带来的谐波分析
由不控整流充电机的整流部分由不控整流桥组成，其仿真电路图如图2。

图2 不控整流桥式充电机仿真电路图
图2中非线性电阻R是电动汽车充电电池的等效模型。

该种整流类型电路充电机
的脉动数 p=6，因此对交流侧造成的谐波次数主要为6k±1次，（k=1，2，……），谐波电流总畸变率达23.4%，尤其是5、7、11、13次这类奇次谐波
电流很大。

这种充电机的电压电流波形如图3所示。

图3 电压电流波形图
2）12脉波整流式充电机所带来的谐波分析
12脉波整流电路有两种类型：串联型和并联型。

这种整流类型的充电机一般采用
并联电路，因为充电机的功率变换单元的输入电压要求不能过高。

图4为12脉波整流充电机电路图。

图4 12脉波整流充电机电路图
12脉波整流电路主要含有12k±1（k=1，2……）次谐波，由仿真结果可知在最大值时11次谐波的谐波含有率为 5.9%，13次谐波的含有率 3.5%，而 7次和5次
谐波分别为1.4%和3.2%。

随着R值的增加，谐波电流先增大后减小，并在
145min处达到最大值。

3）PWM整流式充电机
由IGBT组成的三相电压型PWM整流器,其电路图如图5所示。

图5 三相电压型PWM整流器电路图
图6为PWM 整流电路任意时间段的交流侧电流和电压，交流侧电流与电压之间
相角为0。

图6 整流电路任意时间段的交流侧电流和电压
PWM 整流充电机变压器高压侧各次谐波含量为：13次谐波为1.04%，11次谐波为1.28%，7次谐波为 1.57%，5次谐波的最大含有率为 2.98%。

PWM 整流充
电机的谐波随着R变化而变化的趋势较不明显，总体趋势与上述两种充电机相同。

综上所述，第一种和第二种整流方式的谐波污染相对比较多，而第三种整流方式的谐波污染会少点。

但是电动汽车发展越来越快，随着其规模的不断增大，谐波污染将会很大，因此对电力系统造成影响也会越来越大。

2.3 谐波污染的影响
1）使保护装置误动
继电保护装置对电力系统至关重要，由于谐波的大量存在，容易使各类保护装置产生误动，还可能因此引起电网瓦解，造成大面积失电。

2）易损坏大容量电容器
超标的谐波电流会损坏电力系统中为了补偿无功功率而安装的电容器。

3）使测量仪表失去准确性
常规的测量类器具都是按照固定频率（50Hz）的标准校准的，如电压表、能耗表、
电流表和功率表等,这些仪器也只能灵敏地反应标准频率的变化，而谐波电压和谐波电流的存在就会干扰这些仪器的测量结果，使结果失去准确性。

4）负荷增大使电力导线过热
当大量的谐波电流流过三相四线式供电系统的零线时, 导线会过载而发热。

大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而加大了电力运行成本，增加了电费的支出。

2.4 充电设备对电网电流的影响
1）影响其他电力设施
当大量电动汽车在用电高峰期充电时，现有的电能容量和输电设施就会显得不足，额外电流会使得输电线路难以顺利传递能量，使得其他用电设备受到影响。

2）增加基础投入
大量电动汽车充电站的出现，会额外增加负荷储备量，使得电网不得不预备一定的储备量为其时刻做好准备，这就要求在高峰期固定负荷电力需求的基础上额外增加部分装机容量和线路传递容量，使得电网的基础投入增加，投资也相应增加，资源的有效利用率相对降低。

3）增加电网运行成本
当负荷需求超过预订计划时,有两种方案可以解决：其一是增加旋转储备电量；其二就是起动冷备用发电机来分担过量的负荷。

这两种方案都可以满足最大电量的需求。

但是冷备用发电机的起动和并网运行需要一定的时间，所以应该提前起动以满足该要求，这也对预判断能力提出了要求；当高峰负荷过去后，它们也不可能立即退出运行。

这种投入与退出运行不仅会造成能量浪费，增加电网运行成本，而且对电网也产生一定的冲击，增加了设备出现故障的风险。

3 充电站给电力系统带来风险的解决方案
解决充电站给电力系统带来的冲击方案有以下两种。

一是尽力抑制电动汽车充电站
的谐波污染，提高电能质量；二是另辟蹊径，找到新的充电方案。

现就这两种方案进行详细分析。

3.1 提高充电站电能质量
1）谐波抑制法
经过上面分析，充电站对系统造成的影响最主要因素之一就是谐波污染，因此电动汽车充电站中一定要有谐波处理环节，尽量降低谐波对电力系统的影响，提高电能质量。

因此，如何有效的抑制甚至消除谐波污染成为制约电动汽车发展的主要瓶颈问题。

常见的谐波抑制方法有以下几种。

（1）有效抑制谐波源处的谐波
为了从根本上消除谐波，可以在谐波源上采取措施。

这种方法不仅能有效提高电能质量，还可以很大程度上降低消除谐波所消耗的费用。

具体方法有以下几种：
其一，增加整流器的脉动数。

电网中的主要谐波源之一是整流器，整流器的特征频谱为：n=K×p±1，由此可见脉冲数p增加，n也相应增大，而谐波电流In≈I1/n，因此谐波电流将减少。

这样我们可以通过增加整流脉动数，提高波形平滑度，也就相应降低了谐波。

这种方法也有缺陷，比如p的增加，会使得设备成本也相应增加，而且换流器接线比较复杂，利用率也不是很高。

其二，脉冲宽度调制法。

这种方法是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽系列的交流输出电压脉冲。

其三，三相整流电路采用Y/△或△/Y的接线。

这种接线可以消除3或者3的倍数次谐波，是抑制高次谐波的一种最基本的方法。

（2）在谐波源处吸收谐波电流
如果采用以上几种方法不能有效地抑制谐波对系统的污染，那么可以采用在谐波源处处理已经出现的谐波污染问题，主要方法有：
其一，无源滤波器。

无源滤波器又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路。

无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用广泛的被动谐波治理方法。

其二，有源滤波器。

所谓有源滤波器是指利用可关断电力电子器件，产生与负荷电流中谐波分量大小相等、相位相反的电流来抵消谐波的滤波装置。

其三，避免并联电容器组对谐波的放大作用。

并联电容器可以调节电压和改善功率因数。

但由于它的存在也可能会放大谐波的危害，增加附近电气设备的安全隐患。

为了解决此问题有两种方案：一是限制电容器组的投入容量；二是采取串联电抗器，尽量降低电容器对谐波的放大。

其四，装设静止无功补偿装置。

（3）提高供电质量
提高供电质量也有两种方案：其一是选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡；其二是用专门的线路为谐波源负荷供电。

2）加入人为控制因素
（1）在允许范围内尽量增加充电站充电点的数量
由于每个电动汽车充电器时产生的谐波电流的相位角一般不同, 所以电动汽车在充电时可能会出现谐波补偿甚至谐波抵消。

如果多辆电动汽车同时在一个充电站充电，如图7多对一充电图,那么同时流过该充电站的谐波电流出现谐波补偿。

图7 多对一充电图
（2）充电协调法
这种方法可以减小由电动汽车充电引起的电流过载。

同一充电站同时给一组电动汽车充电时,应该协调好充电时间和充电电流,减少电力系统过载电流的出现，尽可能
保持负荷曲线平坦。

充电协调的方法可以分为分布协调和集中协调。

其一，分布协调。

在每辆充电汽车或者充电器上安装分布式协调控制器，它的作用就是在电动汽车充电站的总电流需求量在规定的范围内时，使得电动汽车充电电流尽量增大，以缩短充电时间。

当该辆汽车充电完毕时，分布式协调控制器可自动将剩余电流分布到其他某几辆电动汽车中进行充电。

但是用这种方法进行充电时只能将剩余电流最大程度地分配到某几辆充电汽车上，而不能平均分配到待充电的汽车上，因此待充电汽车的充电时间将不同，会引发一些后续问题。

而且只知道个别充电汽车的充电电流大小而不知道所有同时充电的汽车的充电电流大小，不能进行全局控制，限制了一些复杂控制算法的应用。

其二，集中协调。

如图8所示的集中协调充电站充电示意图。

该种方法需要一个
通过通信线路与各个充电器相连的中央计算机，通过通信线路实时收集各个充电器的充电信息，如充电时间长短，充电电流大小以及电池容量等。

通过信息整理以及智能系统的判断，最终制定合理的充电方案，给每辆待充电汽车合理分配充电电流等，这样可以有效地控制供电系统中总需求电流不过载。

但是这种方法成本比较高，而且系统比较复杂，还有很大发展空间。

图8 集中协调充电站充电示意图
3.2 拓展思路，另辟蹊径
当我们专注于如何减轻充电站的接入对电力系统所造成干扰的同时，可以把思维转换到使用新能源，改用新方式为电动汽车提供充电电源。

（1）智能充电系统
电力系统电能在经过AC/DC转变时，会产生各种谐波，这种谐波只能弱化，不能消除，也就是说，只要电动汽车充电站的电能来自整流器端，那务必会给系统带来谐波污染。

太阳能是一种清洁能源，而且太阳能发电电池发出的电是直流电，如果在电动汽车
充电站旁建一座微型太阳能发电厂，直接利用太阳能发出的直流电为充电站提供电能，省去了AC/DC环节，不仅消除了充电站对电力系统的谐波冲击，还避免了对电力系统造成大的扰动。

这种方案已经在浙江和上海等地实施。

但是这种方案也存在着发展的瓶颈：①储能电池的储能能力不足。

太阳能发电受自然因素影响比较大，发电具有随机性，如果储存能力不足，在晚上或者阴雨天充电站的能源供给将不足，这样将影响充电站的工作；②太阳能发电技术还不是很成熟，光电转换效率还不是很高，成本也比较高；
③晶体硅也是一种潜在的污染，如果大力发展太阳能发电，则若干年后，废旧的太阳能电池也即将成为令人头痛的问题。

（2）无线电充电技术
利用感应式电能传输技术可以通过无线电为电动汽车充电。

该技术是利用感应电荷的原理，将电源板埋在道路的沥青下（这样电源板既可以得到有效保护，又不会受到恶劣天气影响），将电能接收垫安装于电动汽车车身下侧，这样电池就可以通过无线电系统进行无线电充电。

当汽车行驶到供电线圈装置上，受电线圈即可接受到供电线圈的电流，从而对电池充电。

目前，这套装置的额定输出功率为10kW，一般的电动汽车可在6～8h内完成充电。

4 结论
综上所述，随着能源的日益紧缺，电动汽车必然会迅速地发展，与此同时，充电站将会给电力系统带来很大的干扰。

因此，要求我们应同时从多方面采取措施。

比如采用先进技术降低设备对电网的谐波电流注入，考虑多台充电机同时工作时谐波电流的叠加影响；为了保证充电站长期安全运行，可以考虑电动汽车充电站安装电能质量在线监测设备和谐波报警以及谐波保护设备；我们也应该创新思维，发展智能充电技术以及各种离网充电技术。

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